高層建筑混凝土結構設計淺談

徐樂樂

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一、高層建筑混凝土的特點

在城市中,建設高層建筑工程是獲取更多建筑空間和建筑結構的主要形式,也是目前工程項目中的主要發展目標。在城市化發展中,高層建筑的出現對于解決城市用地緊張、地價過高等缺陷有著重要的意義,但是如果建筑工程施工太高、太過密集的話,極容易引起工程項目出現熱島效應,進而影響了周圍環境。隨著目前玻璃幕墻使用的日趨增多,由此帶來的光污染現象也日趨嚴重,造成了嚴重的生活影響與污染。在多數情況下,在建筑空間周圍多設置一些綠化帶和小廣場,不僅能夠為人們休息提供場所,同時還能夠優化周圍環境。

（一）結構應具有適宜剛度

隨著高度的增加,高層建筑的側向位移迅速增大。設計高層建筑時不僅要求結構有足夠的強度,而且要求結構有適宜的剛度,使結構有合理的自振頻率等動力特性,并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內。

（二）結構應具有良好的延性

相對于較低樓房而言,高樓結構更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。建筑結構的耐震主要取決于結構的承載力和變形能力兩個因素。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力,避免高層建筑在大震下倒塌,必須在滿足必要強度的前提下,通過優良的概念設計和合理的構造措施,來提高整個結構,特別是薄弱層的變形能力,來保證結構具有足夠的延性。因此,在結構設計中應綜合考慮這些因素,合理設計,使結構具有足夠的強度、適宜的剛度、良好的延性。

（三）側向力(風或水平地震作用)成為影響結構內力、結構變形及建筑物土建造價的主要因素

高層建筑和低層建筑一樣,承受自重、活載、雪載等垂直荷載和風、地震等水平力。在低層結構中,水平荷載產生的內力和位移很小,可以忽略不計；在多層結構中,水平荷載的效應(內力和位移)逐漸增大；在高層建筑中,水平荷載和地震力將成為主要的控制因素。

（四）混凝土設計原則

在高層建筑混凝土結構的設計中,必須要遵循一定是設計原則,這也是保證混凝土設計質量的關鍵。首先,混凝土設計必須要遵循安全性的原則,即所有的施工設計方案都要以安全為前提,包括施工中的人員安全與混凝土結構的安全以及在使用中建筑的整體安全；其次,適用性也是混凝土設計的主要原則之一,混凝土的設計必須要滿足建筑功能的需求,且能夠保證建筑在使用壽命范圍內都能夠具備良好的性能。第三,混凝土設計需要以建筑保持足夠的耐久性為原則,不可使建筑因設計的缺陷而影響到建筑的使用。第四,混凝土設計要具備一定的結構可靠性,一般來講,建筑主體結構在達到使用預計年限后,并不是就不能再使用,其性能在檢測后若達到技術指標則仍可以繼續使用,這就要求建筑設計要以結構可靠性為原則,運用先進的技術技術手段,優化設計,以保證混凝土建筑結構的安全、經濟、穩定。

（五）高層建筑結構的設計

在現在的高層建筑當中,雖然豎向荷載對結構的設計能夠產生很重要的影響,但是水平荷載卻起著至關重要的作用。這主要是因為建筑的自重和樓面所使用的荷載在豎向構件中所引起的軸力與彎矩的數值,僅僅是與建筑高度的一次方成正比,而水平荷載對于結構產生的傾覆力矩以及在豎向構件中引起的軸力,與建筑高度的兩次方成正比。而對于具有一定高度的建筑來說,豎向荷載在大體上基本是定值。

二、高層建筑混凝土結構設計的要點

（一）結構選型

1.結構的規則性

高層建筑的結構需要符合以下要求：（1）結構的豎向和水平布置需要具有合理的剛度和承載力分布,避免因為局部的突變和扭轉效應而最終形成薄弱的部位；（2）需要具有多道抗震防線。

2.規則結構的主要特征

首先是建筑以及抗側力結構的平面布置要規則,其次是建筑的立面和豎向剖面要規則,結構的側向剛度要均勻變化,豎向的抗側力構件截面的尺寸和材料強度要自下而上的逐漸的減小,避免抗側力結構的側向剛度和承載力的突變。

3.規則平面布置需滿足的要求

（1）有利于抵抗水平和豎向荷載,受力明確,傳力直接,力爭均勻對稱,減少扭轉的影響；（2）在地震的作用下,建筑平面需要力求簡單規則,而在風力作用下可以適當放寬；（3）抗震設防的高層建筑的平面形狀要簡單、對稱、規則,以減少震害。

4.概念設計

結構概念設計是保證結構具有優良抗震性能的一種方法。結構概念設計是要求建筑師和結構師在建筑設計中應特別重視規范、規程中有關結構概念設計的各條規定，設計中不能陷入只憑計算的誤區。以下一些要點值得注意：

（1）在結構體系上，應重視結構的選型和平、立面布置的規則性，擇優選用抗震和抗風性能好且經濟合理的結構體系。結構應具有明確的計算簡圖和合理的傳遞地震力途徑，結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近。

（2）一般工程都僅進行小震下的彈性設計，而用概念設計和構造措施保證“中震可修，大震不倒”，但沒有驗算和證實，那么建筑物是否真能做到“中震可修，大震不倒”，無人知曉。對抗震設防烈度較高地區的特別重要建筑和超限建筑，審查專家往往會提出更具體的設計指標：①中震或大震不屈服設計；②中震或大震彈性設計；要求設計單位確保實現“三水準”的設計目標。

（3）水平地震作用是雙向的，結構布置應使結構能抵抗任意方向的地震作用，應使結構沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結構剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結構剛度以減少地震作用效應，但是也要注意控制結構變形的增大，過大的變形將會因p-δ效應過大而導致結構破壞。